1、第一章 计算机系统概论,第二讲,1.3 计算机系统的层次结构（1）,计算机的解题过程如下：,人工编写,计算机上运行,计算机上运行,源程序,目标程序,输出结果,1.3 计算机系统的层次结构（2）,机器语言：二进制表示，计算机可直接执行； 汇编语言：用符号表示对应的机器指令，计算机将汇编语言程序翻译成机器语言程序后执行； 高级语言：接近自然语言，执行需要把高级语言程序翻译为汇编语言或中间语言，再翻译成机器语言；翻译程序有：编译程序：将编写的源程序全部翻译成机器语言后，在执行机器语言程序。解释程序：将源程序逐条翻译并执行，不保存翻译结果。,1.3 计算机系统的层次结构（3）,高级语言虚拟机器的层次结
2、构,虚拟机器M3 （高级语言机器）,虚拟机器M2,实际机器M1,汇编语言机器或 中间语言机器,1.3 计算机系统的层次结构（4）,4GL语言1GL: 汇编语言；2GL: 高级语言，FORTRAN、ALGOL、BASIC等；3GL: 增强性高级语言，PASCAL、ALGOL68、FORTRAN77等；4GL: 易学、界面友好、面向问题。目前主要面向数据库应用。 操作系统：虚拟机器M2和实际机器M1之间还存在着一种称为操作系统的软件。操作系统是一组管理计算机软硬件资源的程序。一般由C语言或汇编语言编写。提供给用户使用计算机的良好界面。,1.3 计算机系统的层次结构（5）,计算机系统的多级层次结构,
3、高级语言经编译程序翻译成汇编语言或中间语言,本级语言经编译程序翻译成机器语言或操作系统语言,一般用机器语言解释操作系统语言,用硬件或微程序执行机器语言,1.4 电子计算机的发展历史（1）,第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年的美国宾夕法尼亚大学ENIAC用了18000电子管、1500继电器、重30吨、占地170m3、耗电140kw、每秒计算5000次加法。 冯诺依曼（VanNeumann）计算机：采用存储程序结构的计算机。其特点（P6-7）。50多年来，虽然对冯诺依曼机进行了很多改革，但结构变化不大，仍然称为冯诺依曼机。,1.4 电子计算机的发展历史（2）,计算机的发展概况 1、第一代计
4、算机（1） 1946年第一台计算机ENIAC50年代末（2） 主要特征：电子管作为电子器件（3） 软件处于初始阶段，使用机器语言与符号语言编制程序。（4） 特点：体积大，运算速度低，存储容量小，主要用于科学计算。,1.4 电子计算机的发展历史（3）,2、第二代计算机（1） 50年代末60年代初（2） 主要特征：晶体管作为电子器件（3） 软件方面开始使用计算机高级语言（4） 特点：体积减小，重量轻、寿命长、耗电少、运算速度快、存储容量比较大等优点。不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理，并逐渐用于工业控制。,1.4 电子计算机的发展历史（4）,3、第三代计算机（1） 60年代中期70年代初期
5、（2） 主要特征：中、小规模集成电路作为电子器件（3） 操作系统的出现（4） 特点：体积与功耗都得到了进一步的减小，可靠性和运算速度进一步提高。不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理、自动控制等领 域， 出现了管理信息系统，可用于生产管理、交通管理、情报检索等领域。,1.4 电子计算机的发展历史（5）,4、第四代计算机（1）70年代初今（2）主要特征：大规模与超大规模集成电路作为电子器件（3）软件越来越丰富，并且功能强大（4）特点：计算机在各种性能上都得到了大幅度提高。1971年以来，作为第四代计算机重要产品的微型计算机得到了飞速的发展，对计算机的普及起到了决定性的作用。以微机为例，IBM
6、 PC8088802868038680486Pentium,1.4 电子计算机的发展历史（5）,5、未来的计算机以超大规模集成电路为基础，未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。,1.4 电子计算机的发展历史（6）,计算机的分类 大型机大型通用计算机。60s-80s：信息处理主要是主机加终端为代表的集中式数据处理，代表为：IBM 360、IBM 37090s：大型机作为企业的开放的、安全的大型服务器受到重视，代表为：IBMS/390系列，其中知名的有ES9000。,1.4 电子计算机的发展历史（4）,巨型机现代科学技术、国防技术，需要高运算速度、大容量的计算机。其代表： 60
7、s-70s：Cray-1，向量运算速度每秒8000万次； 1983年：Cray X-MP向量运算速度每秒4亿次，CDC公司的CYBER205每秒4亿次浮点运算；我国：巨型机的代表“银河”机 1983年，中国第一台每秒亿次运算速度的巨型计算机“银河”型机诞生， 1993年，又研制成功了每秒运算10亿次的“银河”； 1997年，“银河”型巨型计算机也已研制成功，每秒运算速度为130亿次,1.4 电子计算机的发展历史（4）,小型机规模小、结构简单、硬件成本低，软件比大型机简单、成本低。易操作、易维护、可靠性高等优点被广泛应用。其代表： 70s前：DEC公司的PDP-11系列，16位小型机； 70s中
8、：DEC公司的VAX11/780，32位小型机； 80s后：精简指令系统（RISC）问世，使小型机性能大幅度提高；,1.4 电子计算机的发展历史（5）,微型机采用微处理器作为CPU的计算机，微型机的出现使得计算机成为个人计算机，大大地促进了计算机的普及。其代表：70s后期：Apple公司的Apple II微型机；80s初：IBM公司的IBM PC;后来的386、486、Pentium等各种机型，Apple公司的Machintosh微型机。,1.4 电子计算机的发展历史（6）,工程工作站面向广大工程技术人员，具有高分辨率的显示器、交互式图形界面、功能强大的图形软件。用于集成电路设计、机械设计、土
9、木设计等。代表为：Apollo公司和Sun公司的工作站;1987年以后工作站普遍采用32位/46位的RISC微处理器。代表为：Sun公司的SPARC系列、DEC公司的Alpha系列、SGI公司的工作站系列、HP公司的工作站系列。,1.4 电子计算机的发展历史（7）,联机系统和计算机网络计算机技术和通讯技术的发展和结合。联机系统：由单个计算中心和若干终端组成的联机系统，如库存管理系统、生产管理系统、银行业务系统、订票系统等；计算机网络：将分布在不同地域的计算机连接起来。60s末：APRA网诞生；1983年：开发了UNIX系统上的TCP/IP协议, TCP/IP协议适用于网间互连，ARPA网可以连
10、接多种不同网络的世界上的最大的互联网-Internet。,1.5 计算机的应用（1）,科学计算计算机重要用领域之一。天文学、量子化学、空气动力学、核物理学等，需要复杂计算；军事上，导弹轨迹计算、先进防空系统等；航空、航天，飞机设计、运载火箭轨道设计等；其他学科与工程设计，数学、力学、石油、建筑等领域。,1.5 计算机的应用（2）,数据处理输入输出量大，计算简单。银行业务、企业经营管理；以提供信息服务的数据密集型计算机应用系统称为信息系统：信息管理系统（MIS）、地理信息系统（GIS） 指挥信息系统、决策支持系统、办公自动化、情报检索系统等。,1.5 计算机的应用（3）,计算机控制用于生产过程自
11、动控制，如化工、炼钢、数控机床等。控制计算机对输入信息（温度、压力、位移等）模拟量转换为数字量，计算机进过处理和计算得到结果。监视系统：把结果输出到屏幕或打印；控制系统：把结果转换为模拟量驱动控制装置，实现自动控制。,1.5 计算机的应用（4）,计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）在飞机、船舶、汽车、超大规模集成电路设计中，CAD/CAM起到非常重要的作用。VILS的设计和生产过程中，设计制图、照相制版、光刻、扩散等复杂工序，是人工难以完成的；尤其是在计算机集成制造系统（CIMS）中，CAD/CAM是必不可少的技术，可以支持产品的设计、制造的高度自动化，大大缩短了产品的生产周期、提
12、高了产品质量、降低了成本。,1.5 计算机的应用（5）,人工智能人类的许多脑力劳动，如数学定理证明、常识性推理、理解自然语言、诊断疾病、下棋游戏、破译密码等，均需要智能；人工智能的研究内容包括：知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人等；,1.6 计算机的性能指标（1）, 主频主频很大程度上决定了计算机的运行速度，它的单位是兆赫兹（MHz）。 字长字长决定了计算机的运算精度、指令字长度、存储单元长度等，可以是8/16/32/64位。 运算速度 （1）早期方法是每秒执行加法指令的次数， （2）现在通常用等效速度。等效速度由各种指令平均执
13、行时间以及对应的执令运行比例计算得出，即用加权平均法求得。它的单位是每秒百万指令（MIPS）。对比：Mflops （3）还有利用所谓“标准程序”在不同的机器上运行所得到的实测速度。 存储容量字数*字长1024（210）简称为1K（千），1024K（220）为1M（兆），1024M（230）为1G（千兆）。,1.6 计算机的性能指标（2）, 可靠性常用平均无故障时间（MTBF）衡量。MTBFMean Time Between Falures平均无故障时间是指两次故障之间能正常工作时间的平均值。假设表示单位时间内失效的元件数与元件总数的比例即失效率，则MTBF=1/。例如=0.02%/h，则 MTBF=1/=5000h 可维护性可用平均修复时间（MTRF）表示，它是指从故障发生到机器修复平均所需要的时间。MTBRMean Time Between Repairs（字典缩略）MTTRMean Time To Repair（微软计算机辞典） 可用性是指计算机的使用效率。 A=MTBF/(MTBF+MTRF)可靠性R、可维护性S和可用性A，称为RAS技术。 兼容性兼容是广泛的概念，是指设备或程序可以用于多种系统中的性能。,
